Waiting
Procesando inicio de sesión ...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

الجيل الجليد وانتقال الحرارة والكتلة الظواهر من إدخال المياه إلى حمام الباردة من الماء المالح

Published: March 13, 2017 doi: 10.3791/55014
Automatic Translation
1, 1
1Department of Mechanical Engineering, University of Bristol

Summary

هنا، نقدم بروتوكول للتدليل على جيل من الجليد عند تقديم الماء لحمام بارد من محلول ملحي، وكمبرد الثانوية، في مجموعة من درجات الحرارة أقل بكثير من نقطة تجمد الماء. ويمكن استخدامه كطريقة بديلة لإنتاج الجليد للصناعة.

Abstract

ونحن لشرح طريقة لدراسة الحرارة والكتلة نقل والظواهر تجميد في بيئة المياه المالحة subcooled. وأظهرت تجربتنا أنه في ظل الظروف المناسبة، والجليد يمكن أن تنتج عندما يتم إدخال الماء إلى حمام من محلول ملحي بارد. لجعل شكل جليد، بالإضافة إلى وجود مزيج الماء المالح والماء، فإن معدل نقل الحرارة يجب تجاوز ذلك من نقل الجماعي. عندما يتم إدخال الماء في شكل قطرات صغيرة على سطح الماء المالح، وطريقة نقل الحرارة والشامل عن طريق الانتشار. توقف الطفو المياه من الاختلاط مع الماء المالح تحت، ولكن كما الجليد ينمو أكثر سمكا، ويبطئ معدل انتقال الحرارة، مما يجعل الجليد من الصعب أن ينمو نتيجة لذلك. عندما يتم إدخال الماء داخل محلول ملحي في شكل تدفق، تم العثور على عدد من العوامل التي تؤثر على مقدار الجليد يمكن أن تشكل. درجة حرارة الماء المالح وتركيز، والتي هي القوة الدافعة والحرارة ونقل الجماعي، على التوالي، يمكن أن تؤثر على تحويل راتي الماء إلى جليدس؛ انخفاض درجات الحرارة حمام وتركيز المحلول الملحي تشجع المزيد من الجليد لتشكيل. والريولوجيا التدفق، والتي يمكن أن تؤثر بشكل مباشر على كل من الحرارة ومعاملات نقل الجماعي، هو أيضا عامل رئيسي. بالإضافة إلى ذلك، الريولوجيا تدفق يتغير مجال الاتصال من تدفق مع السوائل السائبة.

Introduction

وتستخدم عجائن الجليد على نطاق واسع في الصناعة، واحد التطبيق الناجح بشكل خاص هو-ولادة الخنازير تكنولوجيا الثلج 1 و 2. بالمقارنة مع رغوة التقليدية وخنزير الصلبة، يمكن للخنزير الجليد السفر من خلال طبولوجيا معقدة على مسافة طويلة بسبب تأثير تزييت الطور السائل وارتفاع درجة التجمد لها وبعض من الجليد بلورات تذوب 3، 4، 5 . حتى لو كان يحصل عالقا الخنزير، يمكن للمرء ببساطة الانتظار للعجائن الجليد في الذوبان واستئناف عملية التنظيف في وقت لاحق. هذه الطريقة في التنظيف الأنابيب هي رخيصة وسهلة الاستخدام.

جزء الجليد يلعب دورا رئيسيا في أداء الخنزير الجليد. لقياس نسبة الجليد، يمكن للمرء استخدام كافيتيري (الصحافة الفرنسية) لتحديد ما إذا كان الطين الجليد سميكا بما يكفي 6،"> 7. هناك جزء الجليد عالية كافيتيري، عادة 80٪، مطلوب عند إجراء ولادة الخنازير الجليد. وأظهرت البحوث التي أجريت مؤخرا على الإنترنت كشف جزء الجليد أن كلا من الموجات الكهرومغناطيسية والموجات فوق الصوتية هي مناسبة لهذا المنصب 8، 9، 10، 11.

عادة ما تكون مصنوعة الخنزير الجليد صانع الجليد كشط سطح من حل كلوريد الصوديوم 5٪ بالوزن (الماء المالح). بل هو أيضا وسيلة أساسية لجعل عجائن الجليد في الصناعة. هذا النوع من صنع الثلج يتجمد الماء أو محلول ملحي على سطح معدني بارد، عادة ما يكون سطح أملس 316 الفولاذ المقاوم للثم ماكينة القص دوريا جزيئات الجليد قبالة. واجهات السائل إلى المعدن معقدة جدا وتتأثر مجموعة واسعة من العوامل التي لا بد منها لصنع الثلج 12. واجهة بين غير المعدنية والماء يمكن أن تكون مختلفة جدا، ومثال واحد خاصة للاهتمام هو الكولنيت. وKaolواجهة المياه inite هو خاص بسبب عدم وجود بنية الجليد مواتية المجاور لسطح صلب، ولكن بدلا طبقة من السائل الركيزة مذبذب أن تشجع مجموعات المستعبدين الهيدروجين مثل الجليد لتشكيل فوقه 13 و 14. وهناك طريقة أخرى لإنتاج الخنزير الجليد يتطلب تكسير كتل الجليد ولم يضف بينما يتم إضافة عالية التركيز محلول ملحي في وقت واحد. لهذا الأسلوب، يمكن للنظام التبريد تشغيل عند درجة حرارة التبخر أعلى من ذلك بكثير بسبب عدم إضافة أية اكتئاب نقطة التجمد (حماية الأسرة) قبل تشكيل الجليد. وبالتالي يعتبر أكثر كفاءة نظرا لنسبة ضغط خفضت والسلطة تراجعت عن واجب إعطاء تبريد 15، 16، 17.

هناك طريقتان إنتاج الآيس الأخرى: إنتاج الثلج من المياه فائق التبريد ووضع التبريد والمياه في اتصال مباشر و 19. الأسلوب ينطوي على البرودة الفائقة تعكير المياه فائق التبريد متبدل الاستقرار لتوليد التنوي الجليد والنمو. المشكلة الأكبر لهذا الأسلوب هو تشكيل الجليد غير المرغوب فيها التي يمكن منع النظام. يعتبر وسيلة اتصال مباشر وليس مناسبة للولادة الخنازير الجليد لأنه لا التبريد ولا زيت التشحيم مطلوبون في المنتج الجليد النهائي.

تشكيل الجليد يتطلب الحرارة ونقل الجماعي بسبب الحرارة الكامنة للانصهار ولدت في هذه العملية. اكتشفت لأول مرة من قبل أوسبورن رينولدز في عام 1874 أن نقل الحرارة والكتلة في الغازات تقترن بقوة ويمكن التعبير عنها في صيغ رياضية مماثلة 20. شكل هذا العمل ورقة رائدة في موضوع الزخم والحرارة ونقل الجماعي في السوائل وطبع عدة مرات 21 و 22. هذا الموضوع ثم درست من قبلعدد من الآخرين، من كلا النهجين التحليلية والتجريبية، للغازات والسوائل، والمعدن المنصهر 23، 24، 25، 26، 27، 28، 29، 30، 31، 32، 33. وبصرف النظر عن انتقال الحرارة والكتلة، يحتاج السائل مواقع التنوي حيث يمكن للنمو الجليد شجيري تتطور. ونظرة حديثة إلى نمو بلورات الثلج يستخدم القانون Constructal، التي وضعتها أدريان بيجان، ليشرح لماذا ينمو الجليد في هذا الطريق 34، 35، 36.

تشكيل الجليد في الماء المالح مختلفة جدا عن تلك في الماء النقي بسبب وجود الملح. أولا، الملح يغير الديناميكا الحرارية من السوائل ويقلل درجة التجمد لها. ثانيا، الملح لا يمكن أن تذوب في مصفوفة الجليد (باستثناء هيدروهاليت، التي يمكن أن تشكل فقط عندما تصل درجة الحرارة إلى نقطة سهل الانصهار)، ورفض أن السائل بكميات كبيرة عندما يبدأ الجليد في النمو. تم اكتشاف الرفض من الملح في كل من الجليد البحري والجليد درس في المختبر 37 و 38. منذ رفض محلول ملحي عالي التركيز هو على درجة حرارة أقل بكثير من درجة التجمد لمياه البحر، حيث ينزل، وينمو الجليد في التفاعل بين المياه المالحة المتدفقة والسوائل بكميات كبيرة هادئة. وقد اكتشفت هذه الهوابط الجليد، واسمه أيضا brinicles، لأول مرة في ماكموردو الصوت، والقطب الجنوبي وكان درس التجربة 39، 40، 41، 42. في عام 2011، بي بي سي بتصوير تشكيل brinicles في سلسلة المجمدة كوكب لها"XREF"> 43 و 44.

في المختبر، واكتشف أن طريق عكس السوائل المتدفقة وهادئة عند تقديم الماء للحمام من محلول ملحي بارد، والماء قد تتحول إلى جليد وفقا للشروط الصحيحة 45. وقد تبين أن الموقع حيث يتم إدخال الماء، وتدفق الريولوجيا، ودرجة حرارة المياه المالحة والتركيز كلها عوامل رئيسية تؤثر في الكيفية التي يمكن أن تنتج الكثير من الجليد. ويتمثل الهدف العام من هذه الدراسة هو التحقيق في ما إذا كان يمكن تطوير صانع الجليد من خلال هذه الآلية لتوليد عجائن الجليد، بالنظر إلى أن درجة حرارة المبخر مرتفعة وارتفاع معدل نقل الحرارة السائل إلى سائل يمكن أن تعزز كفاءة استخدام الطاقة. هذه المادة سهم الجوانب الرئيسية من التجربة.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

الحذر: هناك نوعان من المواد الكيميائية السامة، والميثانول وجلايكول الإثيلين، وتستخدم في هذه التجارب. الميثانول يمكن استقلابه في الجسم البشري لتوليد الفورمالديهايد ثم إلى حمض الفورميك أو ملح فورمات. هذه المواد سامة للجهاز العصبي المركزي، وربما حتى تسبب الموت. جلايكول الإثيلين يمكن أن تتأكسد لحمض الجليكوليك، والتي يمكن أن تتحول بعد ذلك إلى حمض الأكساليك. هذا يمكن أن يسبب الفشل الكلوي والموت. لا تشرب هذه المواد الكيميائية. استشارة الطبيب فورا في حالة حدوث حادث.

1. نظام التبريد

ملاحظة: من الصعب جدا للحفاظ على المياه المالحة في -18 درجة مئوية أو حتى عندما تكون درجة الحرارة المحيطة تقريبا في درجة حرارة الغرفة. من المهم أن الدبابات تخزين جلايكول الإثيلين والماء المالح هي معزولة جيدا وذات حجم معقول لتجنب استهلاك الكهرباء الزائدة وضمان الأداء الأمثل للنظام. فمن المستحسن أن حجم الخزان لا تتجاوز 30 L.

  1. تحضير السائل التبريد الثانوي
    1. صب 1 لتر من جلايكول الإثيلين في خزان التبريد الثانوي، تانك ألف (قاعدة: 400 ملم × 200 ملم، الطول: 350 مم). إضافة ما يقرب من 0،6 حتي 0،65 L (600-650 ز) من الماء إلى خزان أ.
    2. كرر الخطوة 1.1.1 عدة مرات حتى يكون هناك ما يكفي من السوائل في خزان (25 لتر).
    3. تحريك السوائل بحيث السائل متجانس.
    4. التبديل على مضخات اثنين في خزان وإلى الإعداد بكامل طاقتها (2500 لتر / ساعة). تأكد من أن جميع فقاعات المحاصرين في المبادلات الحرارية ويتم إطلاقها الأنابيب.
    5. إيقاف المضخة لمراقبة على إطلاق سراح جميع الفقاعات. إذا لم يكن كذلك، كرر الخطوة 1.1.4.
  2. إعداد محلول ملحي
    ملاحظة: في هذا المثال، يتم إعداد 22٪ بالوزن ماء مملح. إذا كانت هناك حاجة تركيزات أخرى، ينبغي أيضا أن تتغير كتلة الملح المضافة وفقا لذلك. يمكن العثور على التركيز والكثافة القيم المرجعية محلول ملحي على صفحة D-257 من الطبعة 64 عشر (1983) من الدليل CRC ه الكيمياء والفيزياء 46.
    1. إضافة 4 كجم من الماء في 5-L كوب من البلاستيك.
    2. قياس 1 كجم من كلوريد الصوديوم الملح على مقياس إلكترونية ويصب هذا الملح في كوب مع الماء.
    3. يحرك الخليط حتى حل واضح (أي لا توجد جزيئات الملح أو فقاعات الماء واضحة في حل).
    4. أخذ عينة، ~ 10 مل من محلول باستخدام حقنة 10 مل.
    5. حقن السوائل في متر الكثافة U-أنبوب.
    6. التحقق من وجود فقاعات الهواء في الأنبوب. إذا كان هناك أي، وضخ المزيد من السوائل لدفعهم للخروج.
    7. اضغط على "إعدادات خيارات" وحدد "الكثافة درجة الحرارة." نوع في 20 ° C ثم اضغط على "موافق". سيكون المقياس كثافة الآن قياس كثافة السوائل في درجة الحرارة هذه.
    8. الصحافة بدء وانتظر النتيجة.
    9. مقارنة بالقراءة كثافة مع 1164.00 كجم / م 3.
    10. إضافة المزيد من الملح إذا كانت القراءة هي أقل من comparisoكثافة ن. إضافة الماء إذا على خلاف ذلك.
    11. كرر الخطوات 1.2.3-1.2.10 حتى كثافة السوائل صحيحة (1164.00 كجم / م 3).
    12. صب هذا الحل في وعاء كبير، حاوية A.
    13. استخدام الخطوات 1.2.1-1.2.12 لجعل 35-40 لتر من الماء المالح ووضع الحاويات وفي الفريزر الصدر في -40 درجة مئوية. الحفاظ على المياه المالحة هناك لمدة 48-72 ساعة، حتى تصل درجة حرارته -19.18 درجة مئوية (نقطة من هذه 22٪ بالوزن محلول ملحي تجميد).

2. إعداد الجليد لحقن وغسل الماء

  1. تحضير كريم للمياه عن طريق الحقن
    1. صب 1 لتر من الماء في وعاء صغير (200 × 200 × 50 مم).
    2. كرر الخطوة 2.1.1 مع وعاء آخر وتضع حاويات اثنين في الفريزر الصدر في -40 درجة مئوية.
    3. الاحتفاظ بها في الثلاجة لمدة 10 ساعة أو أكثر للتأكد من أن كل من المياه المجمدة.
  2. إعداد القشرة الجليدية مياه الغسيل ل
    1. ملء كوب 5-L مع 5 لترات من الماء.
    2. ملء كوب 2-L مع 2 لتر من الماء.
    3. وضع كل من الأكواب في الفريزر الصدر في -40 درجة مئوية لمدة 8-10 ساعة حتى لا يكون هناك صدفة سميكة من الجليد التفاف حول المياه رفع التجميد.
    4. استخدام المياه النفاثة عالية السرعة بسرعة من 3-5 م / ث من الصنبور لفتح ثقب قطره 3 سم في الجزء العلوي من القشرة الجليدية.
    5. استنزاف المياه داخل القشرة الجليدية.
    6. وضع الأكواب اثنين من العودة في الثلاجة.
    7. إذا كانت كتلة من القشرة الجليدية لا تصل إلى 3 كلغ و 1 كلغ للالأكواب اثنين، على التوالي، كرر الخطوات من 2.2.1-2.2.5، ولكن نأخذ الأكواب في الثلاجة لفترة أطول في خطوة 2.2.3. الآن يجب أن تكون الأكواب اثنين قادرة على احتواء 2 لتر و 1 لتر من الماء، على التوالي.

3. المياه مقدمة الوظيفة وتجربة تحكم دراسة الخواص الانسيابية

  1. إدخال المياه على سطح الماء المالح
    1. صب 2 لتر من محلول ملحي بارد 22٪ بالوزن من الحاويات وفيدلو الألومنيوم صانع الآيس كريم والتبديل على وحدة التبريد.
    2. قياس درجة حرارة الماء المالح مع ميزان الحرارة / الحرارية (إما K-النوع أو من نوع T هي مناسبة). الاستمرار في التجربة إذا كان الماء المالح -15 درجة مئوية أو أقل.
    3. تملأ حقنة زجاجية 100 مل مع الاستفادة من المياه في درجة حرارة الغرفة. إرفاق قطرها 2 ملم الداخلي، 1 مم، و 1 متر أنبوب السيليكون طويلا لطرف الحقنة.
    4. وضع حقنة في موضع معين مثل أن هناك الرأس بين المياه في حقنة والخروج من أنبوب السيليكون. فإن الضغط الهيدروستاتيكي ضغط الماء من الأنبوب.
    5. غمر مدة معينة من أنبوب السيليكون، عادة 70 سم، في محلول ملحي.
    6. ضبط الوضع النسبي بين حقنة وخروج الأنبوب بحيث الضغط الهيدروليكي كبيرة بما يكفي للسماح للمياه لمغادرة حقنة. إذا تم حظر أنبوب، وزيادة رأس برفع حقنة لوضع عمودي العالي، الاتحاد الوطني للعمال ايل الضغط الهيدروستاتيكي يمكن التغلب على إجهاد القص داخل الأنبوب.
    7. حافظ على الخروج أنبوب ما يقرب من 1 سم أو أقل فوق سطح الماء المالح.
    8. ضبط طول أنبوب المغمورة وارتفاع حقنة للسيطرة على منفذ الماء تسمح درجة الحرارة ومعدل التدفق من أجل تحديد مقدار الجليد يمكن أن يتم أو مقدار الخلط يحدث على سطح الماء المالح. الآن يجب أن يكون لاحظت ظاهرة التجمد على سطح الماء المالح. أنظر المرجع 45 لمزيد من التوجيه.
  2. إدخال المياه من خلال محلول ملحي
    1. كرر الخطوات من 3.1.1-3.1.6.
    2. حافظ على الخروج أنبوب داخل محلول ملحي، ويفضل أن يكون في قاع الإناء.
    3. ضبط طول الأنبوب المغمورة وارتفاع حقنة.
    4. ضبط زاوية الخروج أنبوب للسيطرة على الريولوجيا من التدفق.
    5. كرر الخطوات من 3.2.3-3.2.4 للعثور على الريولوجيا تدفق أفضل إلى جانب والمعدل الذي يمكن أن تنتج معظم الجليد تتدفق.

الحمار = "jove_title"> 4. إنتاج الثلج، وجمع، والقياس

  1. جعل الجليد
    1. إذا كان هناك فقاعات في الأنابيب، والتبديل على مضخات اثنين داخل خزان للافراج عن فقاعات من نظام التداول غليكول، ومن ثم إيقاف تشغيل المضخات.
    2. التبديل على وحدات التبريد ثلاث والسماح لهم بالترشح ل10-16 ساعة لتهدئة حلول جلايكول الإثيلين.
    3. قياس الحل جلايكول الإثيلين مع ميزان الحرارة / الحرارية. يجب أن تكون درجة الحرارة غليكول في حوالي -25 درجة مئوية.
    4. قياس درجة حرارة الماء المالح في الحاويات وللتأكد من أنها في -19 درجة مئوية قبل الشروع في خطوة 4.1.5.
    5. ملء خزان المياه المالحة، خزان B، مع ما يقرب من 30 لتر من محلول ملحي من الحاويات ألف والتبديل على مضخات اثنين في خزان أ.
    6. قياس درجة حرارة غليكول في تانك A. إذا كان أبرد من -19 درجة مئوية، وإيقاف واحد أو أكثر من الوحدات التبريد لمنع ترسب جزيئات الثلج خارج المبادلات الحرارية طن دبابات B. إذا كانت درجة الحرارة أكثر دفئا من درجة حرارة الماء المالح هو متوقع، تشغيل جميع وحدات التبريد الثلاث. تنفيذ التجربة في -17 درجة مئوية إلى -19 درجة مئوية.
    7. وضع اثنين من كتل من الجليد ولم يضف من الخطوة 2.1 في معزول الكأس 5-L، حاوية B، وتصب حوالي 3 لتر من الماء في الكأس.
    8. قياس درجة حرارة المياه والاحتفاظ بها في 2 درجة مئوية عن طريق اثارة الخليط بين التجارب إذا ارتفعت درجة الحرارة.
    9. ملء حقنة زجاجية مع 100 مل من الماء C 2 درجة.
    10. تطبيق 5-10 مل من الميثانول إلى زجاج النافذة تانك B لوقف التكثيف وتشكيل الجليد.
    11. حقن الماء في محلول ملحي عن طريق ضبط الوضع النسبي بين حقنة وخروج الأنبوب حتى لا يكون هناك ضغط الهيدروستاتيكي المستمر، وبالتالي على معدل تدفق ثابت. يجب أن يغطس نحو 70 سم من أنبوب سيليكون في محلول ملحي. ضبط زاوية الحقن إلى 0 درجة بحيث أن سرعة المياه الأولية في أعلى خيمةction هو 0 م / ث.
      ملاحظة: حقنة يمكن أن تكون إما أو فرضت لموقف باليد. هي اليد التي عقدت أكثر ملاءمة عندما تكون درجة حرارة الماء المالح هو الأكثر برودة، لأنه يأخذ المزيد من الوقت لضبط الموقف، والجليد قد تمنع الأنبوب. الحفاظ على الريولوجيا تدفق ثابتة طوال التجربة من خلال ضمان معدل تدفق وحقن زاوية ثابتة (0 درجة) وعن طريق الحفاظ على الحدود تجميد ما يقرب من 3 سم فوق خروج الأنبوب. لا تدع تدفق دخول المنطقة حيث يبدأ لتحويل مضطربة 47. أنظر المرجع 45 لمزيد من التوجيه.
    12. جمع الجليد كما هو موضح في الخطوات 4.2 و 4.3. كرر الخطوات من 4.1.8 - 4.1.11 في درجات حرارة المياه المالحة مختلفة.
  2. جمع المنتجة الجليد وتقدير مقدار الجليد ينتج (جمع الجاف)
    1. وضع وعاء (200 × 200 × 50 ملم) على نطاق والصفر القراءة عن طريق الضغط على "تشغيل" زر.
    2. استخدام منخل لحلج القطن من الجليد والتخلص منمحلول ملحي.
    3. وضع هذا الجليد في الحاوية. قياس كتلة الجليد باستخدام مقياس.
    4. بعد ذوبان الجليد، واستخدام الحقنة 10 مل لأخذ عينة. حقن هذه العينة من السائل إلى متر كثافة.
    5. تنفيذ الخطوات 1.2.6-1.2.9.
    6. تسجيل قراءة الكثافة.
    7. حساب كتلة الماء الصافي من كثافته (أي كتلة من المياه تحويلها إلى الجليد) باستخدام الصيغة التالية:
      معادلة
      أين معادلة هو تركيز المحلول الملحي التي كتبها٪ بالوزن و معادلة و معادلة هي الجماهير من الملح والماء، على التوالي.
  3. جمع المنتجة الجليد وتقدير مقدار الجليد ينتج (جمع الرطب)
    1. ملء كوب 5-L مع القشرة الجليدية (الخطوة 2.2) ودرجة حرارة الغرفة ماء الصنبور. وضعها مرة أخرى في الثلاجة عند -40 درجة مئوية.
    2. صب الماء مع القشرة الجليدية من الكأس 5-L في كوب 2-L عند درجات الحرارة فيه عند 0 درجة مئوية. تملأ الكأس 5-L. تبقي على حد سواء الأكواب في الثلاجة.
    3. يستخرج الجليد التي تنتج في خطوات 4.1.8 و 4.1.9 وتصب 200-500 مل من الماء من كوب 2-L على الجليد لأنه يغسل. لا تهزه غربال قبل تطبيق مئوية الماء 0 درجة.
    4. التخلص من السوائل في غربال.
    5. كرر الخطوات من 4.2.2-4.2.7.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

الشكل 1 يقارن آثار المياه أدخلت على سطح الماء المالح إلى الماء المحقون من خلال محلول ملحي. في السيناريو "الايس كاب"، والجليد المتكون هو صلب لأن الماء لا يختلط كثيرا مع السوائل السائبة. الفرق في درجة الحرارة والكثافة بين السوائل اثنين يولد قوة الطفو على الماء ويمنعها من الاختلاط. كل من السوائل هي ثابتة (أي نقل الحرارة أكبر بكثير من كتلة؛ الشوري ≈ 500، العلاقات العامة ≈ 10، ولو ≈ 50)، لذلك الجليد يمكن أن تشكل بسهولة. ولا يوجد تشكيل طبقة طري ولا رفض الملح في هذه التجربة. مرة واحدة ينمو الجليد سمكا، وسوف تعيق معدل انتقال الحرارة بسبب التوصيل الحراري المنخفض وتؤثر على معدل تكوين الجليد. في هذه المرحلة، يمكن أن نلاحظ بوضوح أن قدم "المياه العذبة" يمكن تجميد لم يعد على وجه السرعة إلى مادة صلبة. وبالإضافة إلى ذلك، من دون الحمل الحراري، ومحطات الط منخفضةل التوصيل من الماء المالح نفسه أيضا يعيق نقل الحرارة الكامنة من الحوض البارد. ويرتبط معدل تكوين الجليد مباشرة مع وحساسة للغاية لدرجة حرارة الماء المالح. على سبيل المثال، الماء في -15 درجة مئوية محلول ملحي يتجمد أسرع بكثير مما كان عليه في -13 درجة مئوية محلول ملحي. في حالة حقن المياه، وشكل وحجم الجليد يرتبط إلى الريولوجيا التدفق. قضيب من الجليد هو مبين في الشكل 1 من جزأين مميزة: رئيس التوالي يليه ذيل مجعد. ويتكون القسم مجعد أقرب إلى سطح الماء المالح، حيث تدفق ديه المزيد من الاضطرابات إليها. الذيل مجعد عادة ما يكون أرق بكثير من رأس التوالي بسبب اندلاع الاضطرابات، مما يقلل الفرق بين الحرارة ومعدلات نقل الجماعي، وخصوصا في الطبقة الخارجية للتيار، حيث نقل الحرارة والكتلة هي نفسها. لذلك، لا يمكن إلا أن النواة الداخلية تجمد في الجليد. إذا بقيت خروج أنبوب أفقي بدلا من عموديا يصل، ورقة من فيل الجليدأن تتولد لتر. جيل من الجليد يصبح أكثر استقرارا وكانت النتائج قابلة للتكرار. وأخيرا، تبين أن خفض معدل التدفق ليست وسيلة فعالة للقضاء على الاختلاط. بدلا من ذلك، لأنه يزيد بشكل كبير من فرص حجب الأنبوب.

يتم الاحتفاظ زاوية حقن المياه في 0 درجة إلى المحور الأفقي عند إجراء قياسات نسبة تحويل الماء إلى جليد. ويوضح تأثير درجات الحرارة محلول ملحي، وتركيزات في الشكل 2. عادة الجلوس على نسب التحويل بين 0،4-0،9 لدرجات حرارة محلول ملحي دراستها وتركيزات. فمن المهم للحفاظ على الريولوجيا تدفق والموقف من تشكيل الجليد الحدود ثابت في كافة مراحل التجربة. حجم كبير من الماء المالح في خزان B يساعد على الحد من آثار التدرجات الحرارية المحلية على القياسات. العلاقة بين درجة حرارة الماء المالح ونسبة التحويل من الدرجة الأولى لرن درجة الحرارة درسه. وترد معاملات للخطوط الأكثر ملائمة في الجدول 1. إذا تم استخدام زاوية حقن مختلفة، ونسب تحويل المياه إلى جليد لم يعد متابعة هذه العلاقات لمجال الاتصال وبالتالي، فإن معدلات الحرارة ونقل الجماعي، مختلفة. عند جمع الجليد، فمن المهم للحفاظ على القوة المطبقة على التخلص من المياه محلول ملحي / غسل متسقة وفي محاولة لتقليل كمية المياه المتبقية في غربال. ينبغي أن تطبق كميات مماثلة من المياه المستخدمة لغسل قبالة المياه المالحة لتجنب نتائج غير متناسقة. وقد وجد أنه إذا تم استخدام أكثر من 500 مل من الماء لغسل الجليد، أي تخفيض ملوحة مزيد من غير المرجح أن يحدث. عندما يكون حجم أقل من 200 مل، يمكن للملوحة أن تصل إلى 4٪ بالوزن.

لأن درجة الحرارة المبخر هو أعلى بكثير من كشط سطح الجليد صانع، والذي يستخدم عادة -40 ° C، إذا تم استخدام هذا الأسلوب لإنتاج الثلج، فمن المتوقع أن COP العاليوفقا لحساباتنا في الشكل (3). إذا على سبيل المثال، هو ارتفاع درجة حرارة المبخر إلى -20 درجة مئوية، يمكن أن تصل إلى مؤتمر الأطراف ما يقرب من 3 لR134A المبردات.

شكل 1
الشكل 1: موقف مقدمة المياه. و"الغطاء الجليدي" يمكن أن تشكل عند تقديم المياه على سطح الماء المالح. قضيب من أشكال الجليد عندما يتم الاحتفاظ خروج أنبوب تستقيم. عندما يتم حقن الماء في محلول ملحي، وشكل من الجليد يتوقف على الريولوجيا التدفق. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 2
الشكل 2: مقارنة نسبة التحويل بتركيزات مختلفة محلول ملحي مع خط أفضل مناسبا. كل من بريندرجة الحرارة الإلكترونية وتأثير تركيز كمية المياه يمكن تجميدها في الجليد (نسبة التحويل) عندما يتم الاحتفاظ معدل التدفق والريولوجيا نفسه. نسبة التحويل يزيد خطيا مع انخفاض في درجات الحرارة محلول ملحي. تركيزات محلول ملحي أقل في انخفاض درجات الحرارة حمام تولد المزيد من الجليد. طريقة غسل بجمع المزيد من الجليد من الطريقة الجافة جمع. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل (3)
الشكل (3): معامل الأداء في درجات حرارة المبخر مختلفة لمجموعة من المبردات. ارتفاع درجات الحرارة المبخر صالح معامل الأداء (COP) من أنظمة التبريد. المبردات الانتقالية اثنين (R22 وR134A) لديها مؤتمرات الأطراف أفضل من R502 حظرت بالفعل ويمزج (R404A وR507A).الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

تركيز الملح (٪ بالوزن) جمع الجاف جمع الرطب
P1 P2 P1 P2
23.3 -،09909 -1.34 -0.1196 -1.439
22 -0.1204 -1.633 -0.1439 -1.839
21 -0.1261 -1.682 -0.1545 -1.98

الجدول 1: معاملات FOص الخطوط الأكثر ملائمة لنسبة التحويل مقابل رسم بياني درجة حرارة محلول ملحي. نسبة التحويل يرتبط خطيا مع درجة حرارة الماء المالح وفقا للمعادلة: معادلة . كلا وترد وسائل الغسل الجاف والرطب جمع هنا.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

عملية توليد الجليد باستخدام محلول ملحي كمبرد الثانوية ينطوي على مزيج من الحرارة ونقل الجماعي. إذا كان نقل الحرارة أكبر، ثم أشكال الجليد قبل أن الماء لديه فرصة لخلط مع السوائل السائبة. ولوحظ أنه عندما يكون هناك حركة نسبية بين الماء قدم ومحلول ملحي بالجملة هادئة (أي ضخ المياه داخل محلول ملحي)، وتدفق يساعد على نقل الحرارة ويشجع الجليد لتشكيل بسرعة. ومع ذلك، عندما يكون هناك الكثير من الاضطراب في التدفق، لا الجليد يمكن أن تتولد. أكبر الحد من هذه التقنية هو خلط والتخفيف من محلول ملحي. فإن حجم الماء المالح يستمر في الارتفاع مع استمرار العملية. لذلك، عندما صنع الثلج بهذه الطريقة، فمن المهم أن يكون على بينة من ارتفاع حجم محلول ملحي واسقاط ملوحة الماء المالح. وبالإضافة إلى ذلك، لوحظ أنه إذا لم يتم جمعها الجليد ولدت، وسوف تذوب. قد يكون هذا لأن الماء المالح ليست في درجة حرارة انصهاره، والسماح كلا الحرارةونقل الجماعي بين الجليد شكلت وسائل بالجملة. طريقة نقل الحرارة والشامل عن طريق الانتشار فقط، ومعدل ذوبان بطيء. ومع ذلك، منذ الجليد يطفو على سطح الماء المالح، إضافي دخول الحرارة من البيئة المحيطة يعزز معدل ذوبان الجليد. لهذا السبب، ينبغي جمع الجليد ولدت على الفور بمجرد إنتاجه لتجنب حدوث زيادة أخرى في حجم محلول ملحي.

الحد من التخفيف أو فصل الماء ويجري حاليا دراسة الملح في مختبرنا. واحدة من العديد من الأفكار هو لإعادة الماء المحقون إلى أنبوب آخر أكبر في القطر لذلك سوف فقط أن تتعرض هذه المياه إلى السائل بكميات كبيرة لفترة قصيرة من الزمن، والتقليل من التغير في حجم التبريد الثانوي. وتحدث التنوي الجليد عندما يتعرض الماء إلى الماء المالح، تليها الانتهاء من النمو الجليد في أنبوب أكبر. بإضافة هذا سطح صلب، وملوحة معظم الجليد ولدت هي السيطرة عليها. على سبيل المثال، إذا كان مطلوبا انخفاض محتوى الملح في الجليد، يمكن للمرء أن إضافة المزيد من "المياه العذبة" إلى السائل في الأنبوب الثانوي. طول المغمور من هذا الأنبوب الثانوي يمكن تغييرها بسهولة، اعتمادا على جزء الجليد المطلوبة للمنتج.

والريولوجيا تدفق له تأثير كبير على مساحة اتصال وعلى نسبة التدفق في السوائل بكميات كبيرة منطقة إلى حجم. وتشير ملاحظاتنا أن مساحة أكبر من الاتصال هو أكثر ملائمة لتشجيع المزيد من الجليد لتشكيل. يجب أن مساحة زيادة الاتصال أيضا تعزيز نقل الجماعي، ولكن لم يتم حتى الآن لاحظت في درجة حرارة محلول ملحي وتركيز نطاق الدراسة. ويبدو أن أمام تدفق يدخل منطقة انتقالية، حيث تبدأ الاضطرابات وفصل تدفق تحدث، وسوف يكون دائما خلق كريم. إذا يفصل تدفق وجود اضطرابات كبيرة، كل مجموعة من جزيئات الماء يحتاج نقطة التنوي الخاصة بها، والجليد قد لا تشكل في هذه الحالات.

"> العلاقة بين درجة حرارة الماء المالح ونسبة تحويل الماء إلى جليد خطية بينما عند تركيز المحلول الملحي المستمر. والتحولات من نسبة التحويل مقابل درجة حرارة محلول ملحي خطوط أفضل تناسب تشير إلى أن تركيز محلول ملحي أيضا يلعب دورا هاما في عملية تخفيف / الماء تشكيل الجليد. ونظرا لمرحلة التحول، وشروط الحدود هي مختلفة جدا في الحارة عازل للكتلة نقل دراسات القياس التقليدية، وبالتالي، فإن هذه المقارنات ليست كافية لوصف هذه الحالة.

وكشفت هذه الدراسة أيضا أنه منذ الحدودية تجميد يمكن أن تكون ثابتة لمسافة مستقرة نسبيا من الخروج من الأنبوب، وتدفق يمكن أن تصل إلى حالة ثابتة للدولة. وهذا يدل على أن هذه الظاهرة يمكن أن تستخدم آلية جديدة يمكن الاعتماد عليها لإنتاج الثلج في الصناعة، حيث من المتوقع أعلى من ذلك بكثير درجة حرارة المبخر وCOP بالمقارنة مع تقنيات لصنع الثلج القائمة.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

الكتاب ليس لديهم ما يكشف.

Acknowledgments

الكتاب ليس لديهم الاعترافات.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
DMA 4500 M Anton Paar 81546022 Density Metre
GELATO Chef 2200 magimix 0036500504R13 Ice Cream Maker
280D FREEZE MASTER 241-1441 Pipe Freezer
M17.5X2 BLUE ICE MACHINES GK924 Slushy Puppy Machine
HH68K OMEGA 140045 Thermometer
OHAUS TS4KW 1324 Scale
ZFC321WA/BNI225 ZANUSSI 920672574-00 Freezer
EIS Heater Matrix Vauxhall 214720041 Heat Exchanger
2500LPH JBA AP-2500 Pump
Glass syringe FORTUNA Optima 100 mL
OAT concentrated coolant wilko P30409014 Ethylene Glycol
pure dried vacuum salt INEOS Enterprise 1433324 NaCl Salt
Methylated Spirits Barrettine 1170 Methanol 

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Cleaning and separation in conduits. UK patent. Quarini, G. L. , GB2358229, WO0151224 (2001).
  2. Quarini, J. Ice-pigging to reduce and remove fouling and to achieve clean-in-place. Appl. Therm. Eng. 22, 747-753 (2002).
  3. Evans, T. S., Quarini, G. L., Shire, G. S. F. Investigation into the transportation and melting of thick ice slurries in pipes. Int. J. Refrig. 31, 145-151 (2008).
  4. Shire, G. S. F., Quarini, G. L., Rhys, T. D. L., Evans, T. S. The anomalous pressure drop behaviour of ice slurries flowing through constrictions. Int. J. Multiph. Flow. 34, 510-515 (2008).
  5. Shire, G. S. F., Quarini, G. L., Evans, T. S. Pressure drop of flowing ice slurries in industrial heat exchangers. Appl. Therm. Eng. 29, 1500-1506 (2009).
  6. Evans, T. S. Technical Aspects of Pipeline Pigging with Flowing Ice Slurries [dissertation]. , Department of Mechanical Engineering, University of Bristol. (2007).
  7. Shire, G. S. F. The behaviour of ice pigging slurries [dissertation]. , Department of Mechanical Engineering, University of Bristol. (2006).
  8. Hales, A., et al. Ice fraction measurement of ice slurries through electromagnetic attenuation. Int. J. Refrig. 47, 98-104 (2014).
  9. Hales, A., et al. The effect of salinity and temperature on electromagnetic wave attenuation in brine. Int. J. Refrig. 51, 161-168 (2015).
  10. Hales, A. Ice slurry diagnostics through electromagnetic wave attenuation and other techniques [dissertation]. , Department of Mechanical Engineering, University of Bristol. (2015).
  11. Lucas, E. J. K., Hales, A., McBryde, D., Yun, X., Quarini, G. L. Noninvasive Ultrasonic Monitoring of Ice Pigging in Pipes Containing Liquid Food Materials. J. Food Process. Eng. 40, e12306 (2015).
  12. Carrasco, J., Hodgson, A., Michaelides, A. A molecular perspective of water at metal interfaces. Nat. Mater. 11, 667-674 (2012).
  13. Hu, X. L., Michaelides, A. Ice formation on kaolinite: Lattice match or amphoterism? Surf. Sci. 601, 5378-5381 (2007).
  14. Hu, X. L., Michaelides, A. The kaolinite (0 0 1) polar basal plane. Surf. Sci. 604, 111-117 (2010).
  15. Leiper, A. N., Ash, D. G., McBryde, D. J., Quarini, G. L. Improving the thermal efficiency of ice slurry production through comminution. Int. J. Refrig. 35, 1931-1939 (2012).
  16. Leiper, A. Carnot cycle optimisation of ice slurry production through comminution of bulk ice [dissertation]. , Department of Mechanical Engineering, University of Bristol. (2012).
  17. Leiper, A. N., Hammond, E. C., Ash, D. G., McBryde, D. J., Quarini, G. L. Energy conservation in ice slurry applications. Appl. Therm. Eng. 51, 1255-1262 (2013).
  18. Bédécarrats, J. -P., David, T., Castaing-Lasvignottes, J. Ice slurry production using supercooling phenomenon. Int. J. Refrig. 33, 196-204 (2010).
  19. Wijeysundera, N. E., Hawlader, M. N. A., Andy, C. W. B., Hossain, M. K. Ice-slurry production using direct contact heat transfer. Int. J. Refrig. 27, 511-519 (2004).
  20. Reynolds, O. On the extent and action of the heating surface of steam boilers. Proc. Lit. Philos. Soc. Manch. 14, 7-12 (1874).
  21. Reynolds, O. Papers on mechanical and physical subjects: reprinted from various transactions and journals. , Cambridge University Press. Vol. I, 1869-1882, Ch. 14. On the extent and action of the heating surface of steam boilers 81-85 (1900).
  22. Reynolds, O. Papers on mechanical and physical subjects. Int. J. Heat Mass Transfer. 12, 129-136 (1969).
  23. Prandtl, L. Eine Beziehung zwischen Wärmeaustausch und Strömungswiderstand der Flüssigkeiten (On the relation between heat exchange and stream resistance of fluid flow). Physik. Z. 11, 1072-1078 (1910).
  24. Prandtl, L. Bemerkung über den Wärmeübergang im Rohr (Note on heat transmission in pipes). Physik. Z. 29, 487-489 (1928).
  25. Taylor, G. I. Conditions at the surface of a hot body exposed to the wind. Rep. Memo. ACA. 272, (1916).
  26. Taylor, G. I. The Application of Osborne Reynolds' Theory of Heat Transfer to Flow through a Pipe. Proc. R. Soc. A. 129, 25-30 (1930).
  27. Kármán, T. v Proceedings of the Fourth International Congress for Applied Mechanics. , Cambridge, UK. 54-91 (1934).
  28. Kármán, T. v The analogy between fluid friction and heat transfer. Trans. Am. Soc. Mech. Eng. 61, 705-710 (1939).
  29. Martinelli, R. C. Heat transfer to molten metals. Trans. Am. Soc. Mech. Eng. 69, 947-959 (1947).
  30. Colburn, A. P. A method of correlating forced convection heat-transfer data and a comparison with fluid friction. Trans. Am. Inst. Chem. Eng. 29, 174-210 (1933).
  31. Colburn, A. P. A method of correlating forced convection heat-transfer data and a comparison with fluid friction. Int. J. Heat Mass Transfer. 7, 1359-1384 (1964).
  32. Chilton, T. H., Colburn, A. P. Mass Transfer (Absorption) Coefficients Prediction from Data on Heat Transfer and Fluid Friction. Ind. Eng. Chem. 26, 1183-1187 (1934).
  33. Friend, W. L., Metzner, A. B. Turbulent heat transfer inside tubes and the analogy among heat, mass, and momentum transfer. AIChE J. 4, 393-402 (1958).
  34. Bejan, A. Constructal-theory network of conducting paths for cooling a heat generating volume. Int. J. Heat Mass Transfer. 40, 799-816 (1997).
  35. Bejan, A., Lorente, S. Constructal theory of generation of configuration in nature and engineering. J. Appl. Phys. 100, 041301 (2006).
  36. Bejan, A., Lorente, S., Yilbas, B. S., Sahin, A. Z. Why solidification has an S-shaped history. Sci. Rep. 3, 1711 (2013).
  37. Lake, R. A., Lewis, E. L. Salt rejection by sea ice during growth. J. Geophys. Res. 75, 583-597 (1970).
  38. Wettlaufer, J. S., Worster, M. G., Huppert, H. E. Natural convection during solidification of an alloy from above with application to the evolution of sea ice. J. Fluid Mech. 344, 291-316 (1997).
  39. Paige, R. A. Stalactite Growth beneath Sea Ice. Science. 167, 171-172 (1970).
  40. Dayton, P. K., Martin, S. Observations of ice stalactites in McMurdo Sound, Antarctica. J. Geophys. Res. 76, 1595-1599 (1971).
  41. Eide, L. I., Martin, S. The formation of brine drainage features in young sea ice. J. Glaciol. 14, 137-154 (1975).
  42. Martin, S. Ice stalactites: comparison of a laminar flow theory with experiment. J. Fluid Mech. 63, 51-79 (1974).
  43. Jeffs, K., Attenborough, D. Frozen Planet: Episode 5 'Winter'. , BBC. (2011).
  44. Fothergill, A., Berlowitz, V., Attenborough, D. Ch. Winter: Life closes down. in Frozen Planet: A World Beyond Imagination. , BBC books. (2011).
  45. Yun, X., et al. Ice formation in the subcooled brine environment. Int. J. Heat Mass Transfer. 95, 198-205 (2016).
  46. Weast, R. C. CRC Handbook of Chemistry and Physics. 64, 64 edn, CRC Press. 257-258 (1983).
  47. Bejan, A., Lage, J. L. The Prandtl Number Effect on the Transition in Natural Convection Along a Vertical Surface. J. Heat Transfer. 112, 787-790 (1990).

Tags

الهندسة، العدد 121، الحرارة والكتلة نقل، الحراري، ونشرها، حركة الهواء الأفقية، مرحلة التحول، وتشكيل الجليد، الحرارة الكامنة للانصهار، وتدفق الريولوجيا، وتجميد، رينولدز قياسا على ذلك، معامل الأداء (COP)
الجيل الجليد وانتقال الحرارة والكتلة الظواهر من إدخال المياه إلى حمام الباردة من الماء المالح
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Yun, X., Quarini, G. L. Ice… More

Yun, X., Quarini, G. L. Ice Generation and the Heat and Mass Transfer Phenomena of Introducing Water to a Cold Bath of Brine. J. Vis. Exp. (121), e55014, doi:10.3791/55014 (2017).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter